（工程热物理专业论文）船舶尾气吸附式制冷系统的开发及性能实验.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着渔业和海上运输业的发展，对船舶制冷设备的节能和环保性能提出了更 高的要求。本课题针对渔船的保鲜制冷需求，开发一套船舶尾气吸附式制冷设备。 该设备利用柴油机尾气的余热加热吸附床中的吸附剂，使得吸附剂中的制冷剂( 吸 附质) 解吸，解吸出的吸附质蒸气在冷凝器中凝结，进入蒸发器。冷却后的吸附 剂恢复吸附功能，其吸附作用使得蒸发器中的液态制冷剂蒸发，从而实现制冷。 该系统有效地利用低品位热能，可节约大量能源，而且采用了对环境无害的吸附 质作为制冷剂，可避免传统制冷方式带来的温室效应及对臭氧层的耗散作用，符 合了当前的能源和环保政策。 本课题根据对z 6 1 7 0 型渔船的保鲜制冷热负荷的计算及其柴油发动机的尾气 余热指标，设计了双床吸附式制冷系统。在设计中，为了提高系统的换热效率和 制冷性能，降低设备外形尺寸，首次采用了内外翅片吸附单元管结构以及三个电 动机头的自控电动板阀形式的柴油机尾气换向装置；冷凝器、蒸发器等换热部件 采用了换热效率较高的板式换热器。建立了陆地实验台，对系统的关键部分吸附 床单元管的吸附、脱附性能进行实验研究和优化设计，以确定最佳周期、吸附床 单元管数量等设计指标，提高整机制冷性能，并在模拟尾气条件的工况下对样机 进行运行可靠性实验。最终将开发出的尾气吸附式制冷设备机组安装在渔船上， 在国内首次对该种制冷机组进行长期跟船实验，检验机组的实用性能。实验表明， 本课题开发的尾气吸附式制冷设备在运行可靠性上达到了船舶制冷的实用要求。 本课题开发的船舶尾气吸附式制冷系统的实用性检验，对于吸附式制冷技术 在船舶制冷系统中的广泛应用是一次有效的尝试。 关键词： 尾气余热吸附式制冷吸附床机组 实用性 生查盔兰堡主兰堡堡兰 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a r i n ef i s h i n ga n ds h i p p i n g ，w es h o u l di m p r o v e f u n c t i o n so ft h ee n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t mp r o t e c t i o no fs h i p p i n gr e f r i g e r a t i o n e q u i p m e n t a c c o r d i n gt ot h er e f r i g e r a t i o nn e e d sf o rf r e s h n e s sk e e p i n gi nf i s h i n gs h i p s ， w eh a v ed e v e l o p e das o r p t i o nc o o l i n gs y s t e me q u i p m e n tu s i n gs h i p s t a i l 。g a s t h i s e q u i p m e n tu s et h eu n w a n t e d ( e x t r a ) h e a ti nt h ed i e s e le n g i n et oh e a ts o r b e n to nt h e s o r p t i o nb e d ，t h e n t h e d e s o r p t i o na p p e a r s i n r e f r i g e r a t i o nm a t e r i a l ( a d s o r p t i o n m a t e r i a l ) o ft h es o r b e n t t h ea t t a c h e ds t e a mo ft h es o r b e n tc o a g u l a t e si nc o n d e n s e r t h e c o o l e ds o r b e n tr e s u m e sa b s o r p t i o n i t ss o r p t i o nm a k e st h el i q u i dr e f r i g e r a t i o nm a t e r i a l i i lt h ee v a p o r a t o rv a p o r i z i n ga n d a l i z i n gt h ec o o l i n ge f f e c t s t h e r e f o r e ，t h i ss y s t e m e f f i c i e n t l yu t i l i z e st h el o wq u a l i t yh e a te n e r g yt os a v el o t so f e n e r g y i t sa l s oa p p l i e st h e h a r m l e s ss o r b e n ta sr e f r i g e r a t i o nm a t e r i a lt oa v o i dt h eg r e e n h o u s ee f f e c ta n da v o i d d e s t r o y i n go z o n o s p h e r ec a u s e db yc o n v e n t i o n a lc o o l i n gm e t h o d s s oi t i sa c c o r d a n t w i t ht h ep o l i c i e so f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a c c o r d i n gt ot h et h e r m a ll o a do ff r e s hk e e p i n ga n dc o o l i n gi nf i s h i n gs h i pz 6 1 7 0 a n de x t r ah e a tc a l c u l a t i o no fd i e s e le n g i n e st a i l g a s ，w eh a v ed e s i g n e da d s o r p t i o n c o o l i n gs y s t e mw i t ht w ob e d s d u r i n gt h ed e s i g n , i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f h e a te x c h a n g ea n dc o o l i n go ft h es y s t e m ，r e d u c et h es i z eo ft h ee q u i p m e n t ，w ef i r s t l y a p p l i e da d s o r p t i o nt u b e sw i t hi n t e r n a la n de x t e r n a l f a n sa n dd e v i c ec h a n g i n gt h e d i r e c t i o no f d i e s e le n g i n e st a i lg a s 、 r i t l la u t o m a t i ce l e c t r o m o t i o np a n e lv a l v ew i t ht h r e e e l e c t r o m o t o rh e a d s w ea p p l i e dp a n e lh e a te x c h a n g e rw i t hh i g h e rh e a te x c h a n g e e f f i c i e n c ya n ds m a l l e rs i z ei nc o n d e n s e ra n de v a p o r a t o ra n do t h e rh e a te x c h a n g ep a r t s w eh a v ee s t a b l i s h e dal a b o r a t o r i a lp l a t f o r mt os i m u l a t ep r a c t i c a ls i t u a t i o no ft a i l g a s w ed i dt h er e s e a r c ha n di m p r o v e dt h ed e s i g ni nk e yp a r t so ft h e s y s t e m , s u c ha s s o r p t i o no fs i n g l ep i p eo ft h es o r p t i o nb e da n dd e s o r p t i o n w ef i r s t l yi n s t a l l e ds o r p t i o n c o o l i n gs y s t e mi n t od c 8 0 8 bf i s h i n gs h i pi nc h i n a w ea l s of o l l o w e dt h ef i s h i n gs h i p s t ot e s tp r a c t i c a lf u n c t i o n so f0 1 1 1 e q u i p m e n t t h r o u g he x p e r i m e n t s ，s o r p t i o nc o o l i n g s y s t e mm e e t st h ep r a c t i c a ln e e d sf o rs h i p p i n gc o o l i n g n 山东大学硕士学位论文 t h ef u n c t i o n si n s p e c t i o ni nt a i l - g a s & a b s o r p t i o nc o o l i n gs y s t e mf o rp r a c t i c a l u s a g ei s 锄e f f e c t i v ee x p e r i m e n tf o rt h ec o o l i n gs y s t e mt ow i d e l yu s ei ns h i p p i n g r e f r i g e r a t i o ns y s t e m k e ) r w o r d s t a i l g a s u n w a n t e d ( e x t r a ) h e a t s o r p t i o nc o o l i n gm e t h o d s o r p t i o nb e d m a c h i n es y s t e m ( e q u i p m e n t ) f u n c t i o n sf o rp r a c t i c a lu s a g e 1 1 1 山东大学硕士学位论文 i v 主要符号说明 初始吸附温度( ) 吸附终了温度( ) 初始解吸温度( ) 最大解吸温度( ) 冷凝压力( m p a ) 蒸发压力( m p a ) 冷凝温度( ) 蒸发温度( ) 冷凝热( j ) 蒸发吸热( j ) 制冷剂吸附热( j ) 等压解吸过程吸热量( j ) 等量加热过程吸热量( j ) 吸附床冷却放热量( j ) 吸附态吸附率； 解吸态吸附率 n h 3 制冷剂的汽化潜热( k j k g ) 制冷机组制冷量( w ) 柴油机额定功率( k w ) 柴油机额定燃油消耗( k g ( p s h 1 ) 总充氨量( g ) 配风系数 混合室出口温度( ) 氨吸附量( k g m ) k k m m k l c 多q mk q 风g 。 “讪 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：虱垒望 日期：丝! ! ! ：! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅：本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：l i i 缝导师签名：日 期： 山东大学顾士学位论文 第一章前言 1 1 课题的背景及意义 目前，船舶制冷多数采用蒸气压缩式制冷方式。蒸气压缩式制冷设备以电能 驱动，主要采用氯氟烃类制冷剂。这种制冷设备的优点是结构紧凑，制冷系数高， 技术成熟。但是，由于所耗电能为柴油发动机所提供，整体能源利用率低，系统 能源消耗比较大；其采用的氯氟烃类制冷剂对大气和地球高空的臭氧层有显著的 耗散作用，并且加大了温室效应。因此，该制冷方式对环境的影响也日益引起社 会的关注。伴随着能源的日益紧张和环境问题的愈加突出，船舶制冷系统需要以 一种节能、环保的制冷方式取代传统的蒸气压缩式制冷。 船舶尾气吸附式制冷系统很好地符合了当前的能源和环保政策。与蒸气压缩 式制冷方式相比，船舶尾气吸附式制冷系统利用柴油机尾气的废热驱动。有效地 利用低品位热能，可节约大量能源，而且不采用氯氟烃类制冷剂，避免了传统制 冷方式带来的温室效应及对臭氧层的耗散作用。因此，从节约能源和环境保护的 角度，船舶尾气吸附式制冷系统是一种较理想的船舶制冷方式。 国内的专家、学者对于吸附式制冷技术包括船舶尾气吸附式制冷系统的研究 已经非常深入，取得了很多的高水平学术成果。目前，这些成果多数尚集中于理 论和实验室研究，虽然有多种船舶尾气吸附式制冷样机已制造出来，但是还没有 真正经过在船舶上长期、稳定运行的实验研究。因此，开发船舶尾气吸附式制冷 系统并进行实用性能实验，可对实现该技术在船舶制冷领域的广泛应用起到一定 的促进作用。 本课题针对近海捕捞的z 6 1 7 0 小型渔船，开发一套用于保鲜制冷的吸附式制 冷设备。该设备利用船舶运行中的柴油机尾气余热，在不增加油耗的前提下，为 船舶提供保鲜所需冷量，改变带冰出海作业或蒸气压缩式制冷的传统做法，对其 在渔船制冷系统中的实用性能进行测试，为吸附式制冷技术在船舶制冷中的实际 应用做有益的尝试。 1 2 利用余热的吸附式制冷技术的研究现状 山东大学硕士学位论文 对吸附式制冷技术的研究最早出现在2 0 世纪2 0 年代n 1 。随着全球性的能源 紧张和环境恶化，进入2 0 世纪7 0 年代阳3 以来，这种制冷方式由于对低品位热能 的有效利用和不采用氯氟烃类制冷剂而逐渐受到各国专家和学者的重视，研究不 断深入和发展。 吸附式制冷系统的关键部件是吸附床。吸附工质对的吸附特性在很大程度上 决定着制冷系统的整体性能。因此，国内外对吸附式制冷技术中吸附工质对的特 性以及吸附床结构的研究非常深入。 陈砺等对以氨为甫j 冷剂，以氯化钙、氯化镁、氯化硅和活性炭为吸附剂所 组成的吸附式制冷工质对的基础吸附特性进行了实验研究，得到了吸附等温线。 实验表明氯化钙一氨、氯化硅一氨的工质对性能较佳，具有商业开发价值。此外， 还研究了氯化硅及加入导热促进剂石墨的混合吸附剂对氨的吸附特性的影响。另 外，特别指出，氯化钙一氨工质对的吸附制冷量大，适宜低品位余热驱动，是性能 优良的工质对。 g u i l l e m i n o t 用分子筛复合泡沫金属和石墨，通过压缩使得吸附剂的热导率 提高近1 0 0 倍；朱东升函3 在分子筛表面复合高导热率高分子材料而且不改变其吸 附特性。f p o y e l l e s 3 利用分子筛一水建立的空调系统在蒸发温度大于4 时， c o p = o g 8 ，s c p = 1 3 5 k g 。 王如竹口1 研究了活性炭纤维一甲醇的吸附特性。认为活性炭纤维比活性炭更适 合于吸附制冷，其c o p 可以增加1 0 2 0 ，吸附、解吸循环量可以增加2 3 倍。 并以活性炭纤维一甲醇为吸附工质对，制成了太阳能热水器冰箱复合机，采用2 费 集成器可日产6 0 k g 、8 0 c 以上的热水，同时制冰5 k g 。 滕毅等呻1 针对吸附式制冷系统中现有的各种吸附器( 如翅片管式吸附器、管 带式吸附器及板式吸附器等) 在应用过程中存在的缺点，设计了一种螺旋板式吸 附器，并将其成功地应用在采用活性炭一甲醇为工质对的连续回热型吸附式制冷系 统中。实验中该吸附器显示了良好的性能。可以使循环周期大大缩短。通过对建 造的连续回热型吸附式制冷系统性能的测试分析，指出了原有连续回热型吸附式 制冷系统的弊端，着重讨论了实现连续回热型循环的有效途径。 目前，吸附式制冷技术在余热利用中的研究多集中在对发动机余热的利用方 面。 山东大学硕士学位论文 上海交通大学臼3 正在实施汽车发动机尾气余热空调研究项目，采用活性炭一 氨工质对，设计制作了一套5 k w 吸附式空调实验样机。另外还研制了一套采用分 子筛一水工质对的储能型吸附式空调，该系统专门为火车司机室空调而设计，平 均制冷功率为5 k w 。 王立伟“叼等采用6 1 6 0 a 型柴油机为热源，设计了一台发动机余热驱动的用于 渔船上鱼类保鲜的吸附式制冰系统，该系统中的吸附剂采用了块状活性炭。在吸 附床设计中，充分考虑了传质通道的影响，通过对以往块状活性炭吸附床吸附性 能数据的分析，完成了吸附床的性能预测和对系统的模拟仿真。试验结果表明， 回热回质可以显著地提高系统的性能，在具有回热回质的条件下，当系统的循环 时问为5 0 m i n 时，所得到的制冷量为1 9 3 k w 。经模拟仿真计算，系统的最佳循环 时间在3 5 m i n 左右，相应的单位质量吸附剂的制冷功率为3 5 w k g 。 上海交通大学于1 9 9 7 年起建立了利用气体加热( 高温废气) 和气体( 空 气) 冷却的实验台，以余热驱动的活性炭一氨吸附空调为研究目标，该系统采用了 3 6 k g 活性炭。在2 0 0 0 年8 月的初步调试中，利用轻油燃烧器产生的2 5 0 烟气作 为驱动热源，3 3 c 左右的室外空气作为冷源冷却吸附器和冷凝器，活性炭一氨作为 工质对，蒸发压力对应o c 左右氨的饱和压力，冷凝压力对应4 0 ( 2 左右氨的饱和 温度，采用双床连续回质循环，得到2 2 k w 的制冷量输出，制冷系数可达0 1 6 。 预计通过进一步改进，该系统能输出制冷量将达5 7 k w 。 王树刚等“钉对船舶余热回收现状及吸附制冷应用前景进行了研究。探讨了回 收船舶尾气余热的吸附式制冷的空调系统、冷冻水系统、制冰系统等巨大的开发 潜力，并对渔船尾气的余热资源进行了分析，为吸附式制冷系统在渔船上的应用 提供了可行性探讨。 青岛大学的黄梅发和梅宁n 盯提出应用氯化钙一氨作为工质对的柴油机余热吸 附式制冷机的特性，分析其工作原理和柴油机能量平衡，表明吸附式制冷机用于 渔船在吸附能力和制冷温度方面都是可行的。正在做该种产品的样机设计和研究 开发工作。 湖南定宇公司“胡以固体无机盐为吸附剂，氨作为制冷剂，设计了汽车尾气冰 箱和渔船制冰用制冷机。该两种产品利用发动机尾气的余热为驱动热源。其汽车 余热冰箱：容量6 0 1 2 0 l 。制冷温度一1 2 十5 其吸附式渔船制冰样机，制冷 功率1 2 k w ，制冰能力为8 3 k g h ，冷却介质是一1 0 1 2 的海水。 上海交通大学“”2 0 0 0 年接受铁道部委托，研制吸附式机车余热空调，其驱动 热源取自内燃机的排气余热。根据机车的要求和特点，设计时采用分子筛一水作为 3 山东大学硕士学位论文 吸附式制冷工质对，单床间歇式简单循环，附加蓄冷水箱，系统设计平均制冷功 率6 k w ，实验制冷量已达到3 2 k w ，机组正处于调试阶段。 h a r tb a o q if l s , ”1 对渔船保鲜用吸附式制冷系统做了一些研究，工质对选用沸 石和水，采用吸附式制冷单元管，在解吸温度为2 0 0 c 、吸附温度为大气环境，循 环时间为3 h 的情况下，一根单元管可把1 k g 的水，从2 4 。c 冷却到2 c 。受此启发， 浙江大学的章立标“7 1 等对此系统进行了研究，采用吸附器、冷凝器蒸发器分开 的形式。探讨了其可能性。 s u z u k im r 1 8 3 等探讨了固体吸附空调系统在轿车中的应用。他采用分子筛一水 作为工质对，针对2 ，3 k w 的轿车空调负荷，假定解吸温度2 0 0 1 2 ，环境温度3 0 4 c ， 吸附温度可以达到4 0 ，制冷剂水的蒸发温度1 0 ，若吸附剂的传热距离5 m m ， 导热系数0 2 w m ，制冷量估计可达到9 9 0 w ( 一) 。设计中采用双床连续 循环，每个床吸附剂质量为l k g 。 s u z u k i “们设计了以沸石一水为工质对的吸附式制冷系统用于小轿车的方案， 系统的关键主要在于能否有效地提高吸附床的传热、传质性能，以减少循环时间 和降低吸附床重量。z h ud g 等对渔船保鲜用的吸附式制冷系统作了研究，l a v a n 伽1 探讨了卡车尾气驱动吸附式制冷系统的可能性。s a h a 阻”提出了种采用四个吸附 床的低温热源双级吸附制冷循环，此双级循环效率在热源温度很低( 5 4 ) 时比 单机循环的效率较高。 南京理工大学发布了以发动机的排气为热源来制冷，从而满足空调或冷藏要 求的开发项目。利用内燃机排气余热作为热源来构成制冷循环，使燃料利用率进 一步提高，从而达到节能的目的。 1 3 本课题拟完成的主要任务 本课题根据渔船柴油机尾气废热的指标、渔船对保鲜制冷量的需求、机组的 安装、运行条件等原始条件，设计一套渔船尾气吸附式制冷设备，能够在海上作 业的实际环境下做到平稳、可靠地运行。 具体任务为： 1 根据z 6 1 7 0 渔船的保鲜制冷需求，通过吸附床、冷凝器、蒸发器、尾气切换装 置等的合理设计和配置，提高制冷机组的整体性能，减小设备的外形尺寸，适合 4 山东大学硕士学位论文 在船上安装、检修和运行。 2 建立陆地实验台，对制冷循环系统中的关键部分一吸附床单元管的吸附特性进 行实验研究，确定吸附床的最佳吸脱周期、单元管的设计数量以及充氨量，为提 高系统的制冷性能提供可靠依据。 3 样机完成后，在模拟尾气环境的实验台上进行系统可靠性运行实验，确定将其 安装在渔船上实际运行的可行性。 4 对样机进行船上实用性实验研究和检测，主要考核制冷机组在海上长期作业的 条件下的运行可靠性及制冷指标，检验机组的实用性能。 山东大学硕士学位论文 第二章船舶尾气吸附式制冷系统的设计 2 1 利用船舶尾气余热的吸附式制冷系统的工作原理 2 1 1 吸附工质对的选取 吸附工质对的选择是吸附式制冷系统开发中的关键因素之一。选取在工作温 度范围内吸附能力强、吸附速度快、自身传热性能好的吸附剂和汽化潜热大、热 稳定性好的吸附质，对于系统的稳定高效运行起着显著作用。 本系统吸附工质对选用了已经得到深入研究并证明性能比较优越的氯化钙一 氨n 1 。氨的络合物的解吸所需的驱动热源要求较低，而且系统在正压下运行，安 全性好，工作特性较易得到保证。另外，这两种工质价格较低，容易得到。 氯化钙和氨有很好的亲和性，l m o l 氯化钙可以和多至8 m o l 氨进行反应。 c a c l ：和n 。经过四步反应最后得到c a c l 。8 r q e 。： c a c l 2 + 加萨c a c l 2 n h 3 + q ( 1 ) c a c l 2 埘3 + n h 产c a c l 2 2 n h 3 + q 2 ( 2 ) c a c l 2 2 n h 3 + 2 h 勋4 n h 3 + q 3 ( 3 ) c a c l z 4 n h 3 + 4 n h j 害c 疋1 2 g n h l + q | t 4 ) 式中q 、如、q 1 、q 4 分别为四个反应的反应热。 2 1 2 基本型( 单床吸附) 吸附式制冷系统的工作原理乜。3 根据工质对的反应特性，以c a c l ：为吸附剂，以n h 。为制冷剂，可以组成一个 基本型( 单床吸附) 吸附式制冷循环，如图1 所示。 吸附发生器中的c a c l ：在低温、低压下吸附n h 3 形成络合物c a e l ：8 n h 3 。加热 吸附发生器，c a c l ：8 n h 。温度上升，n h 。从c a c l ：8 n h 。络合物中脱附出来成为气态， 然后在冷凝器中冷凝成液体，而e a c l ，n n h 。( 1 n q k 。设计取定 8 3 7 2 0 q ( 2 0 0 0 0 k c a l h ) 5 制冷机组制冷量k w 2 3 3 表8 柴油机尾气热量计算 序号 名称符号 单位计算公式数值 k w1 4 0 l 额定功率p i 马力 设计给定 4 5 0 2 最低燃油消耗n ek g ( p s - h 1设计给定 0 1 6 2 3 尾气温度 t 设计给定4 5 0 4 理论空气量l 0腿g 设计给定1 4 5 5 过量空气系数 a ， 设计给定 2 6 扫气系数巾 | 设计给定 1 2 7尾气流量 q mk g ，i lp s + n c ( l o c t + q + 1 ) 8 1 1 9 4 4 8 尾气定压比热 c 口k j ( k g 、 设计给定 l 9 排烟温度t 0 设计假定 1 2 0 1 0 尾气可利用热量 q rm q m c p * 0 - t o ) 2 6 7 9 4 0 2 0 表9 吸附发生器计算 序号 名称符号单位计算公式 数值 l c a c l 2 吸n h 3 比 设计给定 1 ：1 2 每根管装c a c l 2 量g o k g 设计给定 0 6 2 0 0 0 3 总根数 n 根根据单元管性能实验结果 8 0 0 0 0 0 0 4 装c a c l 2 量 o k g g 0 1 1 4 9 6 5 充n h 3 量g 1 t g 4 9 6 6 机组制冷量q im 8 3 7 2 0 山东大学硕士学位论文 7 循环时间sm l n设计给定 2 0 8 n h 3 的脱附热 q k j ，l i 设计给定 2 5 1 2 2 9脱n h ，所需要执量 q 簟 k j ，l l g i + q ( 按n h 3 全部脱附计算)1 2 4 6 0 5 1 2 1 0 发生器重量 g 2k g 设计给定8 0 l l 发生器温度 t 设计给定 3 7 0 1 2铝的比热ck j ( k g c )设计给定0 9 1 6 9 5 3 1 3 发生器需要热量q _ k j i l g 2 t c + 6 0 s 8 】4 2 5 4 2 6 1 4 外壳质量g 崔 k g 设计给定 3 5 一设计给定一一一 0 5 0 2 4 41 5外壳比热 c 花k j ( k g 1 2 ) 1 6外壳显热 q * l ( j i lg * c * t 6 0 s1 9 5 1 9 7 9 4 1 7 c a c l 2 的比热 c# k j ( k g ( 2 )设计给定 0 6 3 6 4 2 4 1 8 c a c l 2 的温差 t *设计给定1 7 0 1 9发生器个数 n 1 个 设计给定 2 2 0 c a c l 2 的显热q * k j i i g + c * 气6 0 ( s + n 0 8 0 4 9 4 9 0 8 2 l 总热量 qmq 棚棚* 1 0 8 9 9 4 7 l 2 2发生器需要拭最 q 麓 k j ，i lq + q m2 3 3 5 9 9 8 3 2 3发生器进水温度 t l 设计给定3 0 2 4 发生器出水温度t 2 设计给定 4 0 2 5 发生器内部温度t n 设计给定5 5 2 6 传热温差 t ( t 2 - h ) l n ( ( - h ) ( t - t 2 ) ) 1 9 5 7 6 1 5 2 2 7 传热系数 k w ( m 2 、 设计给定 4 6 5 2 8 需要传热面积 fm 2 ( qa 3 6 0 0 i o o o ) 0 a t ) 7 1 8 2 9设计采用传热面积 r m 28 0 * 1 2 39 8 4 3 0 冷却水计算温差 t 设计给定 4 3 1 冷却水比热 c k j ( k g 1 2 ) 设计给定 4 1 8 7 3 2 冷却水密度 p k g m ，设计给定 1 0 0 0 3 3冷却水流量 v m 3 h q 以c + a t p ) 1 3 9 4 7 9 2 4 3 4冷却器管内径dm m 设计给定 4 0 3 5冷却水流速w m s v ( 3 6 0 0 x * ( d 0 0 0 ) 2 4 ) 3 0 8 3 1 6 8 2 2 1 山东大学硕士学位论文 表l o 冷凝器冷凝水量概算 序号 名称符号单位计算公式数值 i冷凝器冷凝温度 k 设计给定 3 8 2氨气进口温度 设计给定1 0 0 3 冷凝水进口温度t 1 设计给定 3 0 4 冷凝水出口温度t 2 设计给定 3 4 5冷凝器负荷系数 1 i r 设计给定1 1 2 6 冷凝器热负荷 q k j m v 制冷机组制冷量9 3 7 6 6 4 7 传热温差 t ( t l - t 2 ) i l n ( ( - t 】) 讯- t 2 ) ) 5 7 7 0 7 8 0 2 8 传热系数 k w m 2 设计给定1 8 0 0 9传热面积 fm 2 q + i o o o ( 3 6 0 0 + k + a t ) 2 51 5 8 3 5 5 1 0 冷却水比热 c ( k j k g 1 设计给定 4 1 8 7 l i 冷却水密度 p k g m 3设计给定 1 0 0 0 1 2 冷却水流量 vm 3 m q ( c ( t l - t 2 ) p ) 5 5 9 8 6 6 2 5 1 3 冷却器管内径 dm m 设计给定2 5 1 4 冷却水流速wm sw ( 3 6 0 0 ( d 1 0 0 0 ) 2 4 )3 1 6 8 1 9 5 表1 1 蒸发器载冷剂流量概算 序号名称符号单位计算公式数值 1蒸发器蒸发温度协设计给定1 5 2 载冷剂进口温度t l 设计给定 - 6 3 载冷荆出口温度t 2 设计给定 1 l 4 传热温差 a t ( t t - t ：) l n ( ( t , - t o ) ( t 2 山) ) 6 1 6 5 7 5 8 7 5 传热系数 k w m 2 设计给定 1 8 0 0 6 传热量 q k j i l 取制冷机组制冷量 8 3 7 2 0 7 传热面积fm 2 q 1 0 0 0 “3 6 0 0 k o a 0 2 0 0 9 5 4 0 3 6 8 载冷剂比热 c k j k g 设计给定 3 3 0 7 7 3 9 载冷剂密度 pk g m 3 设计给定 1 1 7 5 l o 载冷剂流量 v m 3 ，l i q ( c 。( t l - 1 2 ) + p ) 4 3 0 8 1 5 4 8 l l 冷却器管内径 d m m 设计给定 2 5 1 2 载冷剂流速 w r i d sv ( 3 6 0 0 x * ( d 1 0 0 0 ) 2 4 )2 4 3 7 9 1 6 9 山东大学硕士学位论文 表1 2 储液器容积的设计选型 序号 名称符号单位 计算公式 数值 1 冷凝温度k 设计给定 3 0 2r 7 1 7 的比体积 v m 3 k g 设计给定 o 0 0 1 7 2 3 总共充氨量 o k g 见表9 4 9 6 4氦脱出后体积 v i m 3g + v0 0 8 5 3 1 2 5系数lb1 设计给定 o 7 ，rr 按脱出5 0 氨时脱附速度 6系数2b2 最快 o 5 7储液器理论计算容积vo v l t 32 ，1 3 1 0 0 6 0 9 3 7 1 2 3 2 各主要部件结构数据汇总 表1 3 制冷设备主要部件结构数据表 序号 l234 部件名称吸附床冷凝器蒸发器储液器 结构数据每床4 0 根单元传热面积传热面积容积 管，两床传热面2 6m 22 1 舻0 0 8m 3 积共9 8 4 m 2 3 3 设备样机外形及整体结构总图 根据结构选型及设计计算，经产品零部件施工设计，所试制完成的尾气吸附 式制冷设备结构总图及样机外形照片见图8 、图9 。 山东大学硕士学位论文 i蟪劓 。= = j “k 剖j ：暑硼一 l 三圭= = ”4f | | 婀 r = 粤1 、爵剖；d 一 ， 了 巧 卜i ，1 1 。踅虱 - 。 2 4 n 阿 l 且皮u 且且1 “姒且且且且 例： 一i i 图8 船舶尾气吸附式制冷机组整机结构图 卜冷凝器2 一蒸发器3 一阀门仪表系统4 一储液器 5 一吸附发生器6 一烟囱7 烟气梳流板 a a 剖面 山东大学硪七学位论史 图9 机组外形( 移去前面板) 山东大学硕士学位论文 第三章船舶尾气吸附式制冷系统的陆地实验 3 1 陆地实验台的建立 3 1 1 实验目的 1 以烘箱加热方式对新型结构的吸附床单元管进行吸附特性的实验，确定最 佳吸脱周期以及单元管的制冷量，再从静态加热值按经验比值折算到动态加热值， 并根据实验情况对设计进行调整： 2 利用模拟尾气工况的实验装置对样机进行性能实验以考核其机械及电气 系统的可靠性以及运行的平稳性，并初步考察系统的制冷能力。 3 1 2 建立模拟尾气实验台的的依据 实验台的建立应能尽可能模拟渔船的实际工作环境。 z 6 1 7 0 鱼船的柴油机尾气指标为： 额定功率( p s ) ：1 4 0 k w ( 4 5 0 马力) 额定燃油消耗( g p s h ) ：1 6 2 9 尾气温度( t 。) ：4 5 0 尾气的质量流量：8 1 1 k g h 尾气可利用热量：2 6 8 1 0 5k j h 3 1 3 陆上实验台建立的原理 为模拟尾气工况，以一台燃轻柴油燃烧器燃烧产生的烟气在烟风混合室与冷 空气混合，调整烟温和烟气流量，模拟柴油机尾气环境。 受以下两方面客观条件限制，模拟工况与柴油发动机实际尾气工况有较明显 的差距： 1 ，j 、型燃烧器的燃烧室背压一般不允许超过6 0 0 p a ，否则燃烧不正常甚至熄火， 而柴油机尾气通过吸附床以后的背压不允许低于2 0 0 p a ，否则将影响柴油机的正常 运行。因此混合室的配风风压受到一定的限制。 2 普通送风机的风压一般在8 0 0p a 以上，因此，即使调整风门开度，以低压 送风，所形成的燃烧室压力环境也会使燃烧器的燃烧性能偏出正常范围，不能达 山东大学硕士学位论文 到正常的热输出功率。 因此，样机模拟实验的重点是考核其机械及电气系统的合理性以及运行的平 稳性，而在模拟工况下实验得出的机组制冷指标只作为对其制冷能力的初步考察。 3 1 4 实验台的建立 实验台系统如图l o 所示 图1 0 实验台系统原理图 以一台额定输出热功率为5 0 * 1 0 4 k c a l h ( 0 5 8 3 m w ) 的轻柴油燃烧器在风冷燃 烧室内燃烧，产生的高温烟气在燃烧室出口与低压送风机提供的冷风预混合后， 进入混合室。混合室侧面设置冷空气进口调节阀。混合室出口与引风机连接。弓i 风机将冷风吸入混合室，与烟气进一步混合，产生一定压力和温度的混合烟气， 进入制冷系统的吸附床，驱动制冷系统工作。 烟气与空气的两段混合方式主要目的是使燃烧室的背压与燃烧器正常工作所 要求的背压不会偏离太大，以维持燃烧器的平稳运行。 模拟实验台现场见图儿。 山东大学硕士学位论文 图l l 陆地模拟实验台现场 3 1 5 配风计算嗌”1 燃烧器的燃烧计算、配风计算结果见表1 4 表1 7 ，燃烧烟气、空气和混合后 烟气的焓温表见附表l 附表2 。 表1 4 燃烧器基本条件 序号 名称符号计算公式及计算单位 数值 l额定热功率 q m w0 5 8 3 3 3 3 2冷空气温度 t 2 0 3设计燃料 轻柴油 4 燃料元素成分 c y8 5 5 5 h y 1 3 4 9 o y o 6 6 n y 0 0 4 s 0 2 5 a o o l q d w k j k g 4 2 9 1 5 山东大学硕士学位论文 表1 5 燃烧器燃烧计算 序号 名称 符号计算公式及计算 单位数值 0 0 8 8 9 ( c y + 0 3 7 5 s 、m 2 6 5 h y - 0 0 3 3 1 理论空气量 妒 3 0 y n m 3 k g 1 1 1 6 7 2理论氮气容积v n 2 0 0 7 9 v o + 0 8 * n y 1 0 0 n m 3 k g 8 8 2 1 9 3三原予气体容积 v r 0 2 0 1 8 6 6 c u l 0 0 + o 7 + s y 1 0 0 n m 3 k g 1 5 9 8 1 4理论水蒸气容积v h 2 0 0o 1 l l h y + 0 0 1 2 w y + o 0 1 6 1 妒 n m 3 k g1 6 7 7 2 _ 5配风系数 o 给定 l8 6燃烧室漏风系数 a 给定 |o 混合室水蒸气容 7积 v h 2 0v h 2 d q 加0 1 6 1 ( a 1 ) , v o n m 3 k g2 9 3 5 6 8混合室烟气容积 v r 0 2 0 + v n 2 0 + v h 2 0 + ( d 1 ) v on m 3 k g9 1 5 2 1 9 9r 0 2 容积份额 f g c , 2v r o v y ，0 0 1 7 5 l oh 2 0 容积份额 y h 2 0v l 2 洲y |0 0 3 2 1 三原子气体容积 1 1份额 yq y r 0 2 + 7 t o o |0 0 4 9 5 表1 6 混合计算 序号名称 符号计算公式及计算单位数值 l 空气带入热量q ko i l k ok j k g 2 3 5 8 3 8 6 2 2入炉热量 q iq r ( 1 0 0 啦) 1 0 - q kk j k g 4 5 0 9 4 3 8 9 3燃烧室温度y f 1 9 6 5 2 3 4配风系数 a 8 5 混合室出i = 1 温度 yh查焓温表 3 6 6 8 1 4 8 2 6混合室出口绝对温度 t i ，k 6 3 9 8 1 4 8 2 山东大学硕士学位论文 表1 7 燃烧系统热平衡 序号名称 符号计算公式及计算 单位数值 l 低位发热量q d w y 给定 k j k g 4 2 9 1 5 2 燃料温度k给定2 0 3 燃料比热c m4 1 8 7 ( o 4 1 5 + 0 0 0 0 6 + t i i i ) i c i k g + 1 7 8 7 8 4 9 4燃料输入热量 q rq 水m t m k j k g 4 2 9 5 0 7 6 5 冷空气温度饥给定2 0 6冷空气比热 c k给定 k j k g + 1 3 2 7冷空气焓 i l k 0查表 k j k g 2 9 4 7 9 8 3 8 配风系数 a 给定8 9气体不完令执损失 q 3 给定o 5 1 0散热损失 q 5给定 l 1 1 燃烧热损失e q q 4 + q 3 + q s + q 2 1 5 1 2燃烧效率 n 1 0 0 - q 9 8 5 1 3保热系数v 1 - q 5 ( q s + 1 1 ) ，0 9 8 9 9 5 1 4燃料消耗量b q 3 6 0 0 1 0 3 * 1 0 0 ( 1 1 + q r )k g h 4 9 6 3 7 7 7 计算表明，以燃烧器烟气与冷风混合，模拟的烟气理论计算值为： 烟气温度：3 6 6 8 烟气理论体积流量：4 6 4 3 1 5 n m 3 h 3 2 单元管实验 3 2 1 实验方法 山东大学硕士学位论文 吸附床单元管组装完成后，放进烘箱，氨路与烘箱外的玻璃管相连，以观察 脱氨量。按照设定的周期加热单元管。脱附完毕后，将单元管取出，以水冷方式 使之降温，用电子称测试吸附量。 实验分两步进行。第一步，充氨量相同，改变周期，进行单元管的脱附和吸 附实验，确定较佳周期；第二步，改变充氨量，按照确定的较佳周期进行脱附实 验，实验并分析单元管的吸附特性。 3 2 2 不同周期的吸附实验 1 实验数据汇总表见表1 8 表1 8 单元管不同周期吸附实验汇总表 序号 l2345 周期( m i n ) 4 05 06 07 28 0 氨总量( g ) 5 8 05 8 05 8 05 8 05 8 0 脱氨量( g ) 2 3 03 3 03 6 03 6 53 6 9 吸附量( g ) 1 4 52 4 03 0 02 9 03 0 5 脱氨率( ) 3 9 7 5 6 9 6 2 1 6 2 96 3 6 吸附率( )6 3 o7 2 78 3 37 9 4